Projeto de linhas flexíveis
Dezembro 2004 - Coppe
Jean-Paul Ferraz
Sumário
Documentação de projeto
Seqüência de projeto
Aplicações
Tipos de tubos flexíveis
Camada por camada
Projeto de flexíveis
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Projeto de tubos flexíveis - Documentação
Documentação de projeto
Î Documentação contratual
z
z
z
z
Carta convite
Edital
Requisição de Material (RM)
Especificações técnicas (ET)
Î Especificações técnicas do cliente
z
z
z
z
z
z
Das estruturas (diâmetro, aplicação, condições)
Dos fluidos escoados
Dos dados ambientais (onda, corrente, vento, etc.)
De análises globais e locais
De análise de fadiga
De qualificação (testes)
Î Normas aplicáveis
z Internacionais: API 17J, API 17B, DNV, ISO
z Petrobras: N-2409
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Projeto de tubos flexíveis – Seqüência de projeto
Seqüência de projeto
Î Convite, Edital junto com todos os requisitos técnicos do cliente
Î Proposta técnico-comercial > estruturas definidas
Î Qualificação > realização de testes de qualificação
Î Engenharia de detalhe > emissão de relatórios de projeto
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Projeto de tubos flexíveis
Testes de qualificação
Î Colapso
Î Pressão interna, explosão
Î Tração + pressão interna
Î Compressão mecânica radial
Î Teste de fadiga
Projeto de tubos flexíveis – Aplicações
Aplicações
Î Flowline (aplicação estática)
Î Riser dinâmico
Î Riser estático
6
Projeto de tubos flexíveis – Aplicações
7
Projeto de tubos flexíveis – Tipos de tubos flexíveis
Rough bore: fluido contendo gás (produção de óleo, gás, etc.)
Smooth bore: fluido sem gás (injeção de água, etc.)
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Projeto de tubos flexíveis – Tipos de tubos flexíveis
Tubos flexíveis particulares
Î Estruturas 55°
Î Estruturas com isolamento térmico
Î Umbilicais (controle hidráulico, injeção química)
Î ISU (Integrated Service Umbilical)
Î IPB (Integrated Production Bundle)
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Projeto de tubos flexíveis – Tipos de tubos flexíveis
Estruturas 55°
z Sem armadura de pressão
z Aplicação limitada a pressões de projeto inferiores
a 2500 psi (riser) & 3000 psi (flowline)
z Estruturas apropriadas para serem enterradas
(problemas de estabilidade, etc.)
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Projeto de tubos flexíveis – Tipos de tubos flexíveis
Estruturas com isolamento
térmico
Î evitar formação de parafina,
hidrátos
Î Garantir uma temperatura de
chegada na planta de
processo
Î Favorecer o escoamento
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Projeto de tubos flexíveis – Tipos de tubos flexíveis
Umbilicais
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Projeto de tubos flexíveis – Tipos de tubos flexíveis
ISU®
Î Núcleo: tubo flexível comum
Î Arranjo: mangueiras de injeção
e/ou control, cabos elétricos, etc.
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Projeto de tubos flexíveis – Tipos de tubos flexíveis
IPB
Capa externa
Isolamento
Arranjo de componentes
Tubo flexível comum
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Carcaça
Rough Bore.
fabricação
Resistência ao colapso
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Carcaça
Î Função
z Resistir ao colapso hidrostático
z Resistir às compressões mecâncicas radiais
Î Material
z Aço inoxidável (304, 304L, 316L, duplex, etc.)
Î Os principais parâmetros para a seleção do grau do aço (preocupação com a
corrosão):
z
z
z
z
z
z
Pressão e temperatura máximas de projeto
Teor de CO2
Teor de H2S
Presença de água (Water Cut)
Teor de cloretos nessa água
pH da água ou composição iônica
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Projeto de tubos flexíveis
Tensionadores
17
18
Tensionadores (cotinuação)
Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Camada de
pressão
fabricação
Estanqueidade e transmissão do esforço
da pressão interna
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Camada de pressão
Î Função
z Assegurar a estanqueidade interna
Î Os principais materiais, selecionados em função de
temperatura, pressão, fluidos, etc. :
z Polietileno (água / gás e óleo dependendo de temperatura e
pressão)
z Crossflex® (água / gás e óleo dependendo de temperatura e
pressão)
z Rilsan® (poliamida 11) (gás e óleo, limitações dependendo de
temperatura, pressão, presença de água e seu pH)
z Coflon® / Gamma-flex® (gás e óleo, altas pressões &
temperaturas)
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
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Camada de pressão (continuação)
Î Os principais parâmetros para a seleção dos materiais
(preocupações: compatibilidade química, envelhecimento):
z Pressão e temperatura de projeto
z Pressão e temperatura de operação
z Presença de água (Water Cut, vapor, etc.)
z Teor de CO2
z Teor de H2S
z Composição iônica da água ou pH
z Vida útil da linha
z Especificação de todos os produtos químicos injetados (álcoois, ácidos,
inibidores de corrosão, etc.) estipulando composição química,
concentração, freqüência de injeção e temperatura.
Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Armadura
de pressão
fabricação
Resistência à pressão interna
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Armadura de pressão
Î Função
z Resistir a pressão interna
z Resistir ao colapso hidrostático (smooth bore)
z Resistir às compressões mecâncicas radiais
Î Material
z Aço (vários graus disponíveis)
Î Os principais parâmetros para a seleção do grau do aço (preocupação com a
corrosão):
z
z
z
z
z
z
z
Pressão e temperatura de operação
Teor de CO2
Teor de H2S
Teor de água
Composição molar do fluido
Temperatura externa
Vida útil da linha
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Armaduras
fabricação
Resistência à tração axial
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Armaduras
Î Função
z Resistir aos esforços axiais
Î Material
z Aço carbono ou liga (vários graus disponíveis)
Î Os principais parâmetros (preocupação: corrosão):
z Pressão e temperatura de operação
z Teor de CO2
z Teor de H2S
z Teor de água
z Composição molar do fluido
z Temperatura externa
z Vida útil da linha
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Capa externa
Estanqueidade externa
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Capa externa
Î Função
z Assegurar a estanqueidade
z Proteger as camadas internas (corrosão, etc.)
Î Material
z Rilsan® (poliamida) ou TP-flex
z Polietileno
Î Os principais parâmetros para seleção do polímero
z Aplicação dinâmica > poliamida ou TP-flex
z Aplicação estática > Polietileno
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Outras camadas
z Anti-desgaste (aplicação dinâmica) >
evitar desgaste das camada
metálicas
z Fitas acima das armaduras >
fabricação, resistir a compressão
axial devida ao efeito de fundo
negativo
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Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Outras camadas (continuação)
z Tubo interno (smooth bore) >
estanqueidade interna
z Camada anti-colapso (smooth bore)
> transmitir a pressão externa para
a armadura de pressão
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Projeto de tubos flexíveis – Fluxograma de projeto
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Fluxograma de projeto
Estrutura preliminar
Projeto de enrijecedor
preliminar
Análises Globais
Análise local de tensões
redimensionar
camadas metálicas
N
Análise de efeito de fundo
inverso
Definição das
fitas sobre as
armaduras
critério
ok ?
S
Análise de fadiga
N
critério
ok ?
S
FIM
N
Redefinir classes de
onda ou enrijecedor
Projeto de tubos flexíveis – Estrutura preliminar
Estrutura preliminar
Î Materiais das camadas compatíveis com os fluidos escoados
Î Núcleo (carcaça, zeta, etc.) que atende o critério de colapso
Î Zeta/espiral/armaduras que atendem pressão de projeto
Î Armaduras compatíveis com tração axial e pressão interna
Î Armaduras e fitas que atendem efeito de fundo negativo e flambagem
lateral
Î Núcleo compatível com esforços de lançamento
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Projeto de tubos flexíveis - Colapso
Colapso
Î As camadas que resistem a pressão externa: carcaça, armadura de
pressão (zeta, teta, psi, espiral)
Î Dois tipo de colapso: ovalização ou coração
Î Modelo e correlação com testes
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Projeto de tubos flexíveis
Î Colapso em coração
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Projeto de tubos flexíveis – Efeito de fundo inverso
Efeito de fundo inverso
Î Diferencial de pressão > compressão axial
Î Se a capa externa estiver danificada, uma “gaiola de passarinho” pode
se formar
Î Utiliza-se fitas de alta resistência (poliéster, Kevlar®) para manter as
armaduras organizadas
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Projeto de tubos flexíveis
Î Gaiola de passarinho
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Projeto de tubos flexíveis - Instalação
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Compressão mecânica radial durante a instalação
Î Lançamento com tensionadores
Î Passagem por rodas ou calhas
Î Camadas que resistem: carcaça, armadura de pressão (zeta, teta, psi,
espiral)
Î Combinação de esforços: aperto do núcleo pelas armaduras em traçao
+ compressão localizada dos tensionadores / rodas / calhas
Î Cálculo com programa PARABAQ (baseado no ABAQUS)
Î Critérios: tensões nas camadas, deformação radial (API 17J / N-2409)
Projeto de tubos flexíveis
Instalação
Sistema de lançamento horizontal
Passagem na
“gutter” ou na roda
c/ um determinado raio
Passagem nos
tensionadores ou num
colar hidráulico
Tração de lançamento
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Instalação (continuação)
Sistema de lançamento vertical
Passagem nos
tensionadores
Tração de lançamento
39
Instalação (continuação)
Î Tensionador
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Instalação (continuação)
Î Roda
Projeto de tubos flexíveis
Critérios API
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Projeto de tubos flexíveis – Análises globais
Análises globais
Î Objetivos
z Simular o comportamento estático e dinâmico do tubo flexível
z Averiguar a adequação da configuração selecionada (free hanging, pliant
wave, etc.)
z Determinar os esforços e deformações aos quais será submetido
Î Programas de elementos finitos
z Deeplines
z Flexcom
z Orcaflex
Î Casos de análise
z Análises estáticas: GS
z Análises dinâmicas: GD
42
Dinâmico
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Projeto de tubos flexíveis
Algumas configurações de risers dinâmicos
Projeto de tubos flexíveis
Casos de análises estáticas
45
Projeto de tubos flexíveis
Casos de análises dinâmicas
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Projeto de tubos flexíveis – Análises globais
Análises globais (continuação)
Î Dados de entrada
z
z
z
z
Correnteza
Onda
Deslocamento da plataforma
Movimentos dinâmicos do sistema flutuante ou da embarcação de lançamento
Î Modelo
Î Dados de saída
z
z
z
z
z
z
Deformadas (estáticas & dinâmicas)
Força de topo
Ângulos
Compressão no “Touch Down Point” (TDP)
Curvaturas
Comprimentos suspensos
Î Análises de interferência
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Projeto de tubos flexíveis
Perfil de corrente
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Projeto de tubos flexíveis
Onda
Î Abordagem onda regular (Airy)
z A onda é definida por uma altura máxima (Hmax) e un período associado
(Tmax)
z A elevação da onda é senoidal, da forma η = η0 cos (ωt)
Î Abordagem irregular (mais representativo de um estado de mar real)
z A onda é definida por uma altura significativa (Hs) e períodos (Tp ou Tz)
e um espectro de energia (por exemplo de Jonswap)
z A elevação da onda é representada por uma soma de várias ondas
regulares
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Projeto de tubos flexíveis
50
Projeto de tubos flexíveis
Movimentos dinâmicos de um sistema flutuante (plataforma, navio de
lançamento, etc.)
Î Graus de movimento definido por um RAO (Response Amplitude
Operator)
Î 3 translações (surge, sway e heave)
Î 3 rotações (roll, pitch e yaw)
Î Os movimentos são definidos com relação a um ponto determinado
(CM: Centro de movimento)
Î Cada movimento descrito por ξ = ξ0 cos (ωt + ϕ)
z Onde ω = 2π / T, T o período da onda, ϕ a defasagem entre movimento e
onda
51
Projeto de tubos flexíveis
COM
52
Projeto de tubos flexíveis
Modelo Deeplines
Deformadas estáticas
54
Deformadas dinâmicas
55
Projeto de tubos flexíveis
Força de topo
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Projeto de tubos flexíveis
Ângulos
57
Projeto de tubos flexíveis
Curvatura ao longo da linha
58
Análise de interferência
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Projeto de tubos flexíveis - Enrijecedor
Enrijecedor
Î Função
z Restringir curvaturas no flexível
z Assegurar uma transição de
rigidez suave
Î Construção
z Cone de poliuretano
z Dimensões definidas em função
dos envelopes de forças e
ângulos de topo
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Projeto de tubos flexíveis - Enrijecedor
Enrijecedor (continuação)
Análise dinâmica
∆θ / T
Programa BENDING
∆θ
Curvatura
T
∆θ
F
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Projeto de tubos flexíveis – Análises locais
Análises locais de tensão e deformações
Î Análise axi-simétrica
Î Programa EFLEX
Î Casos LS (RM)
Î Dados de entrada
z
z
z
z
Pressões interna / externa
Força axial (tração ou compressão)
Torque
Rotação
Î Dados de saída
z Tensões nas camadas
z Deformações axiais & radiais
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Projeto de tubos flexíveis
Análises locais de tensão
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Projeto de tubos flexíveis – Análises de fadiga
Análises de fadiga
Î Mecanismo
z Carregamento cíclico: variações de curvatura e força de topo ⇒ falha por
fadiga
Î Camadas afetadas
z Armadura de pressão (zeta, teta, espiral)
z Armaturas de tração
Î Programas
z Armadura de pressão > SLPM
z Armaduras de tração > LIFE
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Projeto de tubos flexíveis – Análises de fadiga
Análise de fadiga (continuação)
Classe 1:
H = 3.75
T=9.9
N= Soma das ondas
Î Ocorrência de ondas individuais
Î Divisão em classes de ondas
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Projeto de tubos flexíveis – Análises de fadiga
Análise de fadiga (continuação)
Análise dinâmica
para encontrar ∆T0, ∆θ0
para cada classe
Deeplines
⇒
Determinação da
variação de curvatura
(∆C 0) dentro do enrijecedor
(Bending)
⇓
Cálculo da vida do tubo
(LIFE / SLPM)
> Vida requerida,
ok
< Vida requerida,
redimensionar
estrutura ou
enrijecedor
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Projeto de tubos flexíveis – Análises de fadiga
Análise de fadiga (continuação)
Î Dados de saída
z SLPM
z LIFE, diagrama de Haigh
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